可自主飛行的大鵬二號

文/趙俞婷、楊嘉慧 審稿/雲林科技大學電機工程研究所教授 蘇仲鵬、雲林科技大學電機工程研究所研究生 曾昱諳
科學人雜誌
可自主飛行的大鵬二號
可自主飛行的大鵬二號

大鵬二號為無人駕駛直升機,裝載了多種定位系統,能協助提供各種不同環境下所需的訊息,讓直升機自主穩定飛行。

操作過無人遙控直升機的人都會發現,直升機容易受到氣流干擾而不穩,操控者要隨著飛行狀況,不斷微調直升機的姿態,才能讓直升機穩定地在空中停懸、旋轉、前進、後退、攀升或下降。而且操控無人直升機更需要在視線良好的地方進行,若想在視距外從事火山觀測、海岸巡防、潮汐監視等,就需要高穩定性的自主飛行控制器來完成飛行任務。為此,雲林科技大學電機工程研究所教授蘇仲鵬與學生共同開發出「大鵬二號」,它不需專家操作也能穩定飛行,可提高執行任務的彈性,應用領域更廣泛。

調整機身姿態,達到穩定飛行

大鵬二號的操作方法是專家先以手動操控直升機飛到指定座標點的上空,等判定直升機的飛行狀況穩定時,再切換至自動控制模式,此時大鵬二號會自動擷取並記錄機身傾斜角度、遙控器撥桿上的數值等參數,交給由雲科大自行設計的機載飛行控制器控制機身姿態,以進行各種基本模態的飛行,並搭配全球衛星定位系統(GPS)導航機制,執行GPS座標點對點的任務飛行。

控制器的操控方法是控制直升機上的四顆伺服馬達來改變機身的姿態,主要為翻滾軸(機身X軸旋轉角度)、俯仰軸(機身Y軸旋轉角度)、航向軸(機身Z軸的旋轉)、高度(機身Z軸)(見下圖)四個部份來達到平衡。例如直升機進入停懸模式時,若遇前方有強風,造成機身向後偏離停懸點,此時可調整機身上的十字盤(裝設於旋翼中心的連桿上,可控制旋翼翼面角度),調整主翼面的俯仰軸,讓機身前傾,產生向前的力量,便能回到停懸點。

讓直升機穩定飛行的感測元件

大鵬二號最特別的地方在可以穩定垂直上升、下降、向前、向後定速飛行,這是因為上面裝置了慣性測量元件(inertial measurement unit, IMU)、全球衛星定位系統(GPS)與超音波測距儀等感測元件,可以隨時掌握自身的狀況,回饋到伺服控制系統,系統會根據此回授信號,發出最適當的操控指令。

IMU可以透過物件位置、角度及角速度,即時算出直升機的加速度。而GPS可利用接收數個衛星訊號,求得直升機位置的經緯度資訊。由於GPS提供的高度為海拔高度而非對地高度,在較低空時誤差量較大,使得Z軸座標值不準確,因此底部另裝有超音波測距儀,輔助測量對地高度。

IMU、GPS及超音波測距儀的資訊傳到控制器後,可即時獲得直升機的定位及導航資訊,快速將機身校回原位。例如飛行中,飛機的姿態出現機頭往下傾的情形,控制器可藉由調整俯仰軸,達到穩定飛行。此外,直升機做定點停懸任務時,若由於外部干擾由A點偏移到B點時,座標值的變化量會傳回控制器,並由機身的加速度、速度、角速度及角度等計算出六軸(移動三軸及轉動三軸)的運動狀態,並產生適當的四軸控制量,將直升機調回A點。

直升機的控制,除了由控制器操控外,機身也裝了RF無線通訊模組(RF的頻段為學術及醫療研究使用,較不容易受干擾),使得地面端也能透過電腦介面顯示直升機相關訊息資料。在遇到飛行狀況不穩定時,可即時上傳修改資料,讓直升機更容易達到預期的姿態變化,甚至改變直升機的飛行任務。整體而言,大鵬二號的自主穩定飛行技術,除了可提供軍事用途,在民生上的運用也相當廣泛,也讓日後相關學理研究及應用開發很多的思維。

延伸閱讀

〈無人飛機來襲!〉,卡司塔維奇(Davide Castelvecchi)撰文,《科學人》2010年4月
〈人道救援也可以很科學〉,芬克(Sheri Fink)撰文,《科學人》2008年2月
《直升機為什麼這樣飛?(圖解版)》,林鍵鱗著,晨星出版
《軍用直升機》, Bill Gunston著,羅臻譯,麥田出版
【欲閱讀完整的豐富內容,請參閱http://sa.ylib.com/MagCont.aspx?Unit=easylearn&id=1806】
【科學Easy Learn網路版‧行政院國科會補助案】

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